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为什么在月球上直立着陆这么难
月球引力较弱，使得航天器更容易倾倒。设计人员在重量分布和着陆稳定性之间面临权衡，未来登陆任务仍需克服这一挑战。
今年，有两艘航天器在月球表面倾斜着陆。在比地球更弱的月球引力下，航天器更容易倾倒。
上个月，美国制造的机器人登陆器“奥德修斯” (Odysseus) 成为 50 多年来首个登陆月球的美国航天器，但它倾斜着陆了。由于天线和太阳能板没有指向正确方向，这限制了它在月球表面执行科学任务的能力。仅一个月前，日本宇宙航空研究机构 (JAXA) 的“月球勘测智能着陆器” (SLIM) 也在着陆过程中倾倒，最终颠倒在地。
为什么近期频频出现航天器在月球上翻滚的现象？在月球上直立着陆真的很难吗？在互联网上，有人将“奥德修斯” 登陆器 14 英尺的总高度(从着陆支脚底部到顶部太阳能电池板)列为倾斜着陆的因素之一。
那么，制造商 Intuitive Machines 是否在设计时犯了明显的错误？公司官员为这种高瘦的设计提供了工程方面的理由，但网上的评论者也有一定道理。
高大的物体比矮胖的物体更容易倾倒。而在月球上，引力只有地球的六分之一，倾倒的可能性就更大。这不是什么新发现。半个世纪前，阿波罗宇航员在月球上蹦跳行走时就亲身体会过，有时还会摔倒在地。
上周，前 NASA 工程师、现任佛罗里达中央大学行星科学家菲利普·梅茨格 (Philip Metzger) 在社交媒体平台 X 上解释了为什么在月球上保持站立更困难的数学和物理原理。“我做过计算，结果非常可怕，” 梅茨格博士说，“能够让这种大小的着陆器倾倒的横向运动在月球引力下只有几米/秒。”
这个问题涉及稳定性的两个方面。
第一是静态稳定性。如果物体的倾斜角度很大，并且重心位于着陆支脚之外，它就会倾倒。结果表明，最大倾斜角在月球和地球上是相同的。这在任何星球上都一样，因为重力在这个公式中被抵消了。
然而，如果航天器仍在移动，答案就会发生变化。“奥德修斯” 本应垂直着陆，没有水平速度，但由于导航系统出现问题，它在撞击地面时仍然向侧面移动。
“基于地球的直觉现在变成了一个缺陷，” 梅茨格博士说。他举例说，尝试推倒厨房里的冰箱。“它太重了，轻微的推力不会把它推倒，” 梅茨格博士说。
“但如果你用一块与冰箱形状相同的泡沫塑料代替它，模拟月球引力下真实冰箱的重量，” 梅茨格博士说，“那么即使很轻的推力也会把它推倒。”
假设航天器保持完整，它将在着陆脚接触地面的接触点旋转。梅茨格博士的计算表明，对于像“奥德修斯” 这样的航天器，为了抵消相同的横向运动，其着陆支脚在月球上需要比地球上宽约两倍半。例如，如果在地球上以最大水平速度着陆，6 英尺宽的支脚就足够了，那么在月球上以相同的横向速度着陆，支脚就需要相隔 15 英尺才能不倾倒。
为了简化设计，“奥德修斯” 的着陆支脚没有折叠，将它送入太空的 SpaceX 猎鹰 9 号火箭的直径限制了着陆支脚的展开宽度。“因此，在月球上，你必须设计着陆器在着陆时保持非常低的横向速度，远低于在地球引力下着陆的飞船，” 梅茨格博士在 X 上写道，“这使得着陆变得更加困难，需要更精确的导航和控制。”
对于未来的月球任务，工程师们需要权衡重量分布和着陆稳定性之间的关系。更高的着陆器可以提供更多的科学仪器空间，但更难保持直立。SpaceX 的巨型星舰 (Starship) 将于 2026 年将两名 NASA 宇航员送上月球表面。星舰高 120 米，相当于 16 层楼的高度。它必须完美垂直下降，避免明显的坡度。“这降低了高着陆器动态稳定性的容错空间，但并没有完全消除容错空间，” 梅茨格博士说，“只要航天器上的其他系统正常工作，剩余的容错空间是可以管理的。”
本文译自 The New York Times，由 sein 编辑发布。